一种基于能量平衡的泵驱两相流冷却系统热管理方法与流程

本发明涉及两相流冷却及热管理，具体为一种基于能量平衡的泵驱两相流冷却系统热管理方法。

背景技术：

1、现有泵驱两相流冷却系统的主流控制策略通常依赖于温度、压力或流量等单一状态参数的独立反馈调节，其核心逻辑在于维持局部测点信号的静态稳定。然而，两相流系统具有强非线性、多变量耦合及相变滞后等固有特征，热负荷波动、工质流量调节、管路热损失及沿程相变状态变化之间存在复杂的动态交互作用。单一参数调节模式割裂了热源功耗、机械循环动力与散热端能力之间的物理能量守恒关系，致使系统在变工况条件下，预热器提供的液体显热与蒸发器实际吸热需求难以实现动态能量匹配，进而频繁诱发蒸发器入口过冷度过大、液体在预热段提前汽化、出口干度大幅振荡等异常现象。此外，现有方案虽已涉及热损失评估和出口干度计算，但此类功能多作为离线监测或故障诊断手段，未将其融入实时闭环调控框架，导致系统对负荷阶跃、热沉温度突变等动态扰动的响应迟滞，运行窗口被严重压缩。

2、在能量利用效率层面，由于缺乏基于系统全局能量平衡的协同优化机制，现有控制方法无法准确判定实时所需的目标工质流量与最佳工作干度区间。当热负荷攀升时，为保证蒸发段不出现烧干风险，系统往往采取增大循环泵转速和开阀补偿的保守策略，这不仅增加了泵功耗，还因入口过冷度不足而提高泵发生气蚀的几率，严重威胁系统安全性与使用寿命；同时，冷凝器散热单元的调节动作独立于上游能量变化，常出现冷凝能力过盛导致过冷度升高、或冷凝不足导致冷凝压力漂移等失配现象，使得系统在宽热流密度范围内的稳定运行裕度显著下降，无法满足现代高功率电子设备对冷却系统智能化、节能化及高鲁棒性的应用需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于能量平衡的泵驱两相流冷却系统热管理方法，其目的在于通过建立系统全局能量平衡模型，结合干度、过冷度及温度安全边界进行动态修正，实现预热器、循环泵与冷凝散热单元的多执行机构协同闭环调控，以解决现有技术中因单一参数独立调节而导致的预热能量与热需求失配及泵气蚀的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于能量平衡的泵驱两相流冷却系统热管理方法，包括如下步骤：

3、步骤1、获取泵驱两相流冷却系统的运行状态参数，并根据蒸发器入口压力确定工质的饱和热力状态及蒸发器入口的目标热力状态；

4、步骤2、根据步骤1获取的工质质量流量和蒸发器入口的目标热力状态，结合预先建立的热损失模型确定目标预热能量，并根据功率模块的热负荷和所述热损失模型确定功率模块向工质传递的有效热负荷；

5、步骤3、根据步骤2确定的有效热负荷，结合工质热物性参数及预设的蒸发器出口目标干度，确定与所述有效热负荷相匹配的目标工质质量流量，并根据实际工质质量流量、蒸发器入口热力状态及所述有效热负荷确定蒸发器出口实际干度和系统能量平衡偏；

6、步骤4、根据步骤3确定的目标工质质量流量、实际干度和系统能量平衡偏差，对预热器和循环泵进行协同调节，并根据所述实际干度与预设干度范围之间的偏差进行反馈修正。

7、本发明通过建立从蒸发器入口目标热力状态确定、热损失补偿、有效热负荷计算到目标流量求解与闭环修正的完整控制逻辑链，首次将系统能量守恒原理贯穿于多执行机构协同调控的全过程；相较于现有技术中依赖单一参数独立调节的开环或半开环策略，本方法通过四个步骤的递进式能量平衡计算，实现了对预热能量、工质流量和干度状态的前馈精准匹配与反馈动态修正，能够有效抑制流动振荡、防止蒸发器烧干与泵气蚀，并在变工况条件下提升了系统的自适应调节能力和运行稳定性，同时降低循环泵功耗。

8、优选的，所述热损失模型通过对泵驱两相流冷却系统进行热损失标定得到，具体包括：排空系统内工质并将系统抽至真空状态，在不同加热功率下分别对预热段或蒸发段进行加热，待对应测点温度达到稳定状态后获取加热功率、测点温度和环境温度，并基于获取的数据拟合热损失模型。上述方案的热损失模型通过排空抽真空后的多功率点标定实验，建立了基于温差且包含线性项与对数项的复合拟合函数，此模型能够准确表征预热段和蒸发段在不同工作温度与环境温差下的非线性热损失特性，克服了现有方案中将热损失简化为固定常数或线性近似所带来的计算偏差，通过将精确标定的热损失功率引入目标预热能量计算，本方法使预热器输出能量与实际热需求之间的匹配精度提升，避免了因热损失估计失准导致的入口过冷度失控和能量浪费。

9、优选的，所述根据系统的工作模式确定所述蒸发器入口的目标热力状态，其中，所述目标热力状态对应的目标比焓按下式确定：

10、，

11、其中，为蒸发器入口压力，为所述蒸发器入口压力对应的饱和温度，为目标过冷度，为对应压力下的饱和液相比焓，为对应压力下的汽化潜热，为目标入口干度，为工作模式标识；

12、当时，使进入蒸发器的工质保持为接近饱和状态的液相工质，当时，使进入蒸发器的工质达到预设的部分汽化状态。本方案通过引入工作模式标识，使蒸发器入口目标比焓能够在“饱和液相过冷状态”与“部分预汽化状态”之间灵活切换，为系统提供了两种差异化热调节模式，此双模目标状态设定机制充分考虑了不同热负荷区间对蒸发器入口工质状态的差异化需求：在低负荷工况下维持过冷液相以保障循环泵安全运行，在高负荷工况下允许适度预汽化以提升蒸发段换热效率和降低出口干度振荡幅度，相较于现有技术中固定目标过冷度的单一模式，本发明拓宽了系统的安全稳定运行包络。

13、优选的，所述目标预热能量根据工质质量流量、预热器入口比焓、蒸发器入口目标比焓、预热段热损失以及蒸发器入口过冷度偏差确定。本方案的目标预热能量计算公式将工质显热提升所需能量、预热段热损失以及入口过冷度偏差的非线性修正项三者有机统一，特别地，通过引入双曲正切函数对实际过冷度与目标过冷度的偏差进行平滑修正，使预热器的输出功率能够根据实时入口状态进行无级自适应微调，既避免了开关式修正引起的功率突变，又保证了控制系统的渐进稳定性，此公式为预热器与循环泵的协同调控提供了精确的能量基准，提升了变负荷工况下预热阶段的响应品质。

14、优选的，所述功率模块向工质传递的有效热负荷根据功率模块的热负荷、蒸发段热损失以及功率模块和蒸发器的瞬态蓄热量确定。本发明在有效热负荷计算中，除了考虑功率模块实时热负荷和蒸发段热损失之外，引入了瞬态蓄热量项，对功率模块与蒸发器自身的蓄热或放热效应进行实时补偿。现有技术通常忽略系统结构件的热惯性影响，导致在快速升负荷或降负荷瞬态过程中热负荷计算值与工质实际吸收热量之间存在偏差，本方法通过蓄热补偿机制，使有效热负荷能够真实反映工质在蒸发段实际获得的相变能量，从而提高了变工况瞬态过程中目标流量计算的准确性和系统响应的跟随性能。

15、优选的，所述有效热负荷以及蒸发器出口目标干度确定当前控制周期的目标工质质量流量，所述目标工质质量流量满足：

16、，

17、其中，为第个控制周期的目标工质质量流量，为当前控制周期的有效热负荷，为蒸发器出口压力，为蒸发器出口目标干度，为当前控制周期的蒸发器入口工质比焓，为上一控制周期确定的蒸发器出口实际干度，为流量反馈修正系数且满足0<<1，为干度偏差归一化参数。本方案中的目标工质质量流量计算公式在稳态能量守恒求解的基础上，引入了基于上一控制周期实际干度与目标干度偏差的非线性修正项，此修正机制使目标流量的设定不仅依赖于当前热负荷与热力参数的能量平衡求解，还具备对干度偏差的前馈预调整能力，避免了单纯能量守恒求解在模型偏差或测量噪声干扰下导致的流量反复振荡，相较于现有技术中流量独立设定或仅依赖压力反馈的调节方式，本方法使流量控制精度与干度维持能力同步提升。

18、优选的，所述蒸发器出口实际干度根据蒸发器入口工质比焓、有效热负荷、实际工质质量流量以及蒸发器出口压力确定。上述方案通过引入区间投影算子，将基于能量守恒计算得到的蒸发器出口实际干度严格约束于物理有效区间内，此处理方式克服了现有技术中因传感器噪声、热损失估计误差或瞬态工况波动导致干度计算值越界而引发控制逻辑异常或执行机构误动作的问题；同时，所述投影算子以简洁的数学形式保证了实际干度反馈信号始终处于物理合理范围内，为后续基于干度偏差的反馈修正和能量平衡指标计算提供了稳定、可信的输入变量，增强了控制算法的工程鲁棒性。

19、优选的，所述系统能量平衡偏差通过由相变能量偏差、出口干度偏差和蒸发器入口过冷度偏差构成的无量纲能量平衡指标表征。本发明构建了由相变能量偏差、出口干度偏差和入口过冷度偏差三个维度加权融合的无量纲能量平衡指标，此指标通过三个独立归一化项的双曲正切合成，以单一标量形式直观表征系统整体的热量趋势，克服了现有技术中多参数独立监控、系统全局能量状态难以综合判定的缺陷，上述指标为后续循环泵和预热器的协同差异化调节提供了统一、明确的决策依据，使控制系统的逻辑更为简化和高效。

20、优选的，所述无量纲能量平衡指标分别确定循环泵的目标运行参数和预热器的目标输出功率；当所述无量纲能量平衡指标表征系统热量过剩或所述实际干度高于目标干度时，提高循环泵转速并降低预热器输出功率；当蒸发器入口实际过冷度高于目标过冷度时，提高预热器输出功率；当蒸发器实际饱和温度偏离目标蒸发温度时，通过调节储液器温度改变系统饱和压力；当系统净热量持续大于预设阈值时，提高冷源换热能力。本方案基于无量纲能量平衡指标和干度偏差、过冷度偏差，分别构建了循环泵转速和预热器输出功率的独立调节律，实现了多执行机构的协同差异化闭环控制。具体而言，当系统热量过剩或实际干度偏高时，通过泵升频和预热降功率进行联合消纳；当入口过冷度过大时，通过预热升功率进行补偿，形成了多层级协同架构。这种将能量平衡偏差、相变状态偏差和过冷度偏差分解为各自执行机构独立调节量的设计，避免了现有技术中多个执行器相互耦合干扰、调控目标冲突的问题，提高了系统的动态响应一致性和稳态精度。

21、优选的，所述预热器包括铝合金冷板以及分别设置于所述铝合金冷板相对两侧的加热片，根据步骤2确定的目标预热能量确定预热器的目标加热功率，并根据所述目标加热功率确定加热片所需的有效加热面积。本发明针对预热器的具体物理结构，即铝合金冷板双面加热片布置，提供了从目标预热能量到目标加热功率、再从目标加热功率到加热片有效加热面积的完整工程化设计约束条件；通过保证目标加热功率不超过设计加热功率、加热片总面积不低于设计值，使预热器在设计阶段即具备满足最大热需求的能力裕度，同时避免因加热面积不足导致加热片超设计热流密度运行而降低寿命。

22、相对于现有技术，本发明具备以下有益效果：

23、1、本发明通过综合考虑功率模块热负荷、工质质量流量、工质热力状态以及系统热损失，确定目标预热能量和目标工质质量流量，使预热器输出功率及循环流量能够随实际热负荷动态调整，从而提高系统供热、吸热及相变过程之间的能量匹配程度，减少因能量供需不匹配造成的温度波动和热管理偏差。

24、2、发明根据蒸发器入口压力确定工质饱和热力状态，并对蒸发器入口目标热力状态及出口干度进行联合控制，使工质在进入蒸发器前保持适宜的预热状态，同时避免出口干度过高造成流动不稳定或局部干涸，从而使工质相变过程更加集中、稳定和可控。

25、3、本发明根据实时有效热负荷、出口干度及系统能量平衡偏差动态修正循环泵运行参数和预热器输出功率，使冷却系统能够在功率模块热负荷、工质流量及环境条件发生变化时及时调整运行状态，避免采用固定流量或固定预热功率造成控制滞后，从而提高系统在不同热负荷工况下的自适应调节能力。

26、4、本发明将系统能量平衡偏差和蒸发器出口实际干度作为热管理反馈依据，对预热器和循环泵进行协同调节，使预热器主要用于调节工质入口热力状态，循环泵主要用于调节工质流量及出口干度，从而减少不同执行机构独立调节时可能产生的控制耦合和相互干扰，提高了热管理过程的协调性和响应效率。